無(wú)線控向技術(shù)在小型定向鉆穿越中的應(yīng)用

蔣青松

【摘 要】無(wú)線控向系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單。適用于中、小型定向鉆穿越。

【關(guān)鍵詞】無(wú)限控向;信號(hào) ;短距離 ;跟蹤測(cè)量 ;干擾

【Abstract】Wireless control to the system easy to operate. Suitable for medium and small directional drilling.

【Key words】Short distance;Unlimited steering;Signal tracking and measuring;Interference

1. 前言

（1）水平定向鉆敷設(shè)管道具有工期短、質(zhì)量高、不破壞周?chē)h(huán)境等特點(diǎn)，并且由于使用了跟蹤定位系統(tǒng)，能保證穿越管道達(dá)到設(shè)計(jì)埋深及在理想的出土點(diǎn)出土。

（2）水平定向鉆定向系統(tǒng)主要分：有線控向系統(tǒng)和無(wú)線控向系統(tǒng)。目前使用最廣泛的是有線控向系統(tǒng)，其控制精度高，用在大、中型定向鉆機(jī)上，適于進(jìn)行深、長(zhǎng)距離穿越。此系統(tǒng)價(jià)格昂貴，并且每根鉆桿中都需穿入電纜線、操作不便，接單根作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)。其優(yōu)點(diǎn)是操作者可以通過(guò)計(jì)算機(jī)比較直觀地了解探頭的詳細(xì)情況，并且一般沒(méi)有深度限制，抗干擾能力強(qiáng)。無(wú)線控向系統(tǒng)常用于中、小型定向穿越工程，它一般只能檢測(cè)15m以?xún)?nèi)的深度，抗干擾能力不高，有障礙物時(shí)使用不便。其優(yōu)點(diǎn)是施工成本較低，操作起來(lái)簡(jiǎn)單，無(wú)需電纜線，接單根作業(yè)時(shí)間短，在實(shí)際施工應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

（3）定向鉆穿越定位系統(tǒng)的應(yīng)用大大提高了導(dǎo)向鋪管的質(zhì)量?，F(xiàn)在應(yīng)用的定位系統(tǒng)主要是地面手提探測(cè)器配合有線控向系統(tǒng)或無(wú)線控向系統(tǒng)使用。

2. 無(wú)線控向系統(tǒng)特點(diǎn)及原理

2.1 系統(tǒng)組成。

無(wú)線控向系統(tǒng)主要由無(wú)線探棒發(fā)射器、跟蹤接收器及遠(yuǎn)程顯示儀組成。

2.2 定位原理：

無(wú)線探棒發(fā)射器依靠電磁波發(fā)送斜度、深度、方位等信息到接收器，再由接收器發(fā)送到遠(yuǎn)程顯示儀;接收器測(cè)量信號(hào)的強(qiáng)度可以判斷發(fā)射器的深度，發(fā)射器深度越深，信號(hào)越弱。

3. 無(wú)線控向流程

3.1 測(cè)量放線。

（1）測(cè)量放線涉及到的穿越點(diǎn)、加密點(diǎn)的坐標(biāo)（x、y、z）應(yīng)該使用全站儀進(jìn)行精確的測(cè)量。根據(jù)設(shè)計(jì)交樁和設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行穿越長(zhǎng)度的復(fù)測(cè)，若設(shè)計(jì)交樁長(zhǎng)度與設(shè)計(jì)圖紙長(zhǎng)度不符，及時(shí)確認(rèn)長(zhǎng)度。必須測(cè)量出穿越點(diǎn)及穿越中心線沿線關(guān)鍵點(diǎn)的自然標(biāo)高。

（2）在穿越中心線上設(shè)置加密樁，一般穿越軸線可通視情況下，在入土端一側(cè)設(shè)置3～5個(gè)樁，出土端設(shè)置2～3個(gè)樁，并且沿線每隔約50米設(shè)置1個(gè)樁，樁上設(shè)定標(biāo)記點(diǎn)，以便做精準(zhǔn)點(diǎn)。

3.2 參數(shù)設(shè)定。

（1）將探棒放入探棒室連接好鉆桿，確認(rèn)連接牢固，用角度尺或水平尺進(jìn)行工作面的測(cè)量，并回零。

（2）將接收器置于離探棒3米處進(jìn)行“3米校準(zhǔn)”，并分別在不同距離測(cè)定數(shù)據(jù)，以判斷儀器誤差。可反復(fù)進(jìn)行“3米校準(zhǔn)”，將誤差控制在最小范圍。

3.3 穿越曲線的主要參數(shù)和設(shè)計(jì)的方式：

3.3.1 當(dāng)我們知道了穿越長(zhǎng)度，深度，入土角度和出土角度，管道材質(zhì)和直徑，壁厚等參數(shù)后，也可以手工進(jìn)行鉆孔曲線的設(shè)計(jì)和校正，穿越曲線一般有五段組成：第一直線段、第一造斜段、直線段、第二造斜段和第二直線段，如圖1。

3.3.2 直線段CD，一般是穿越障礙物的實(shí)際需要長(zhǎng)度，第一直線段AE和第二直線段BF是為了達(dá)到一定深度所需要的段，根據(jù)穿越深度及造斜段的長(zhǎng)度決定;第一造斜段EC是鉆桿進(jìn)入鋪管位置的過(guò)度段，第二造斜段DF是鉆桿鉆出地表的過(guò)度段，因此，對(duì)典型的導(dǎo)向孔曲線的參數(shù)一般要求提供如下的幾個(gè)參數(shù)：

R1 和R2 主要由鉆桿的曲率半徑和待鋪設(shè)管線的允許彎曲半徑?jīng)Q定。若是PE 管道，主要參考鉆桿的允許曲率半徑，若是鋼管時(shí)，一般取R1≥1500d，R2≥1500d，d 為待鋪管線的直徑（毫米）。

3.4 繪制導(dǎo)向孔曲線。

（1）根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙繪制導(dǎo)向孔施工曲線，繪制內(nèi)容包括自然地面標(biāo)高曲線、導(dǎo)向孔曲線、特殊地層層位線。

（2）導(dǎo)向孔曲線要與設(shè)計(jì)曲線一致，導(dǎo)向孔曲線由10m的線段組成，每根線段變化的角度要小于設(shè)計(jì)曲率半徑允許的變化角度。導(dǎo)向孔曲線一般可分為入土直線段、入土井斜段、水平段、出土井斜段和出土直線段5部分，繪制曲線時(shí)要進(jìn)行體現(xiàn)。

（3）導(dǎo)向孔曲線橫縱坐標(biāo)可以用埋深、水平長(zhǎng)度或標(biāo)高、里程等方法，根據(jù)操作者的習(xí)慣選擇使用方法。

4. 導(dǎo)向孔的施工

4.1 導(dǎo)向孔的施工，如圖2。

（1）施工時(shí)根據(jù)地層條件，應(yīng)與司鉆很好地配合，控制好鉆進(jìn)速度和泥漿排量，保證鉆孔方向沿設(shè)計(jì)曲線或接近設(shè)計(jì)曲線進(jìn)行。理想曲線是單根鉆桿角度變化小于設(shè)計(jì)值，事實(shí)上，操作時(shí)很難保證單根角度變化小于設(shè)計(jì)值，但偶爾出現(xiàn)大于設(shè)計(jì)值且不連續(xù)的情況，只要不超出鋼管允許曲率半徑也是規(guī)范允許的。

（2）穿越難易程度因地層條件而異，中、小型定向鉆穿越，特別是小型定向鉆穿越主要以土層為主，所以導(dǎo)向施工不需要鏍桿鉆具，實(shí)際導(dǎo)向施工過(guò)程基本可以做到全程跟蹤測(cè)量，在發(fā)現(xiàn)角度變化快或有超深等現(xiàn)象時(shí)，可以及時(shí)進(jìn)行糾正。

（3）推進(jìn)或轉(zhuǎn)進(jìn)要放慢速度，停機(jī)觀察頻率要相對(duì)高，最好2～3m觀察1次。

（4）出土井斜段相對(duì)好控制，為了避免出現(xiàn)軟地層不抬頭情況， 需要控制好推進(jìn)尺和轉(zhuǎn)進(jìn)尺長(zhǎng)度，采用多推少轉(zhuǎn)和不連續(xù)轉(zhuǎn)的方法，發(fā)現(xiàn)變化趨勢(shì)應(yīng)及時(shí)采取相應(yīng)對(duì)策。

（5）盡量避免用90°和270°的工作角度鉆進(jìn)。

4.2 鉆頭拆卸。

在鉆頭出土位置符合要求后，才能進(jìn)行控向系統(tǒng)的拆卸，防止不符合要求需要糾偏。

4.3 導(dǎo)向孔糾偏。

導(dǎo)向鉆頭出土后，測(cè)量出土位置的橫向和縱向偏差，根據(jù)設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范判定出土位置是否滿(mǎn)足要求，如果不滿(mǎn)足要求，需要進(jìn)行導(dǎo)向孔糾偏。

糾偏時(shí)首先要計(jì)算理論糾偏點(diǎn)，然后對(duì)照施工記錄，看該點(diǎn)是否適合糾偏，若不適合則向后逐根對(duì)照，直到找到適合糾偏的位置。通常情況下，原始孔為推進(jìn)且有角度變化的位置、土質(zhì)硬度變化小的位置及軟地層適合糾偏。

4.4 現(xiàn)場(chǎng)記錄。

因周?chē)h(huán)境等因素影響，在控向過(guò)程中很多時(shí)候無(wú)線信號(hào)會(huì)受到很大的干擾，可以根據(jù)周?chē)h(huán)境、控向過(guò)程數(shù)據(jù)以及每次測(cè)量后所做的標(biāo)記等來(lái)糾正因干擾出現(xiàn)的誤差。所以，在實(shí)際控向過(guò)程中將每次跟蹤測(cè)量的點(diǎn)及測(cè)量數(shù)據(jù)一定要記錄清楚。

5. 注意事項(xiàng)

5.1 鉆孔穿越曲線設(shè)計(jì)的一般原則：

鉆進(jìn)曲線設(shè)計(jì)和規(guī)劃是成功穿越鉆進(jìn)最重要的因素之一，尤其要重視以下的原則，保證安全施工：

在作鉆進(jìn)規(guī)劃時(shí)，計(jì)劃好導(dǎo)向孔離地下公用管線或其它障礙物的最小凈空是非常重要的。必須由擴(kuò)孔器的尺寸來(lái)決定導(dǎo)向孔鉆進(jìn)和回?cái)U(kuò)孔時(shí)的最小凈空，例如：

公用管線要求的最小凈空是24吋（610mm），導(dǎo)向鉆進(jìn)用4吋（102mm）的鉆具，經(jīng)過(guò)一根6吋（150mm）的水管，鉆孔中心與水管中心的最小凈空是24吋;那么，導(dǎo)向孔和水管之間的實(shí)際凈空是22吋（559mm）;如果用12吋的回?cái)U(kuò)器，實(shí)際的凈空會(huì)減至18吋（458mm）;因此，為了達(dá)到要求的最小凈空，必須增加間距;因?yàn)閿U(kuò)孔器必定穿過(guò)整個(gè)鉆孔，足夠的凈空是非常重要的。同時(shí)，也要考慮鉆頭在定位時(shí)的偏差;

5.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控

整個(gè)施工過(guò)程需要隨時(shí)進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)有冒漿的地方，及時(shí)與控向員或現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人進(jìn)行聯(lián)系，便于驗(yàn)證控向操作數(shù)據(jù)信息。為了不引起地方協(xié)調(diào)關(guān)系以及減小對(duì)環(huán)境造成的破壞，要及時(shí)將冒出的泥漿回收處理。

6. 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)階段無(wú)線控向技術(shù)仍然是定向鉆穿越施工中運(yùn)用非常廣泛的一種手段。隨著定向鉆穿越技術(shù)的日益成熟，對(duì)導(dǎo)向孔的施工質(zhì)量要求也越來(lái)越高，而通過(guò)無(wú)線控向技術(shù)的應(yīng)用，施工中可以進(jìn)行跟蹤測(cè)量，因此可以將整個(gè)曲線的偏差控制在非常精確的范圍內(nèi)。本人在實(shí)際施工中很大程度利用了無(wú)線控向技術(shù)。例如，在西氣東輸劉莊儲(chǔ)氣庫(kù)輸氣線路工程39條定向鉆穿越中絕大部分都是利用的無(wú)線控向技術(shù)，福煉一體化工程配套成品油管道一期工程項(xiàng)目也基本上是利用的無(wú)線控向技術(shù)。